Hybrid photo-diode noise library at CMS hadron calorimeter
CMS hadron kalorimetresinde hibrit fotodiyot detektörlere gürültü kütüphanesi yaratılması
- Tez No: 349631
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KEREM CANKOÇAK, DR. TAYLAN YETKİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Kısaca CERN olarak bilinen, Avrupa Nükleer Araştırmaları Merkezi, Cenevre'de, Fransa İsviçre sınırında bulunan, dünyanın en büyük parçacık fiziği laboratuarıdır. Laboratuarın temel işlevi, yüksek enerji fiziği araştırmaları için gereken parçacık hızlandırıcıları gibi deneysel altyapıyı sağlamaktır. Atom çekirdeğini araştırmak amacıyla kurulduysa da, CERN kısa sürede daha yüksek enerjilere erişmiş ve artık atomaltı parçacıkları ve bunlar arasındaki etkileşmeleri inceleyen bir kurum haline gelmiştir.Son dönemde CERN'in ana amacı Büyük Hadron Çarpıştırıcı'sını ve bu çarpıştırıcının yardımıyla yapılan deneyleri yürütmektir. Bu deneylerin amacı Standart Model olarak bilinen, bilimsel otoritelerce kabul gören modeldeki bulunmamış parçacık olan, maddeye kütlesini veren Higgs bozonunu gözlemlemektir. Büyük Hadron Çarpıştırıcısında altı ana deney bulunmaktadır. Bu deneyler ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, LHCf ve TOTEM dir.ATLAS ve CMS deneyleri, genel amaçlı deneylerdir ve Standart Model Higgs bozonunu araştırmaktadırlar. ALICE deneyi bir ağır iyon deneyidir ve büyük patlamadan saniyeler sonra oluşmuş olan kuark-gluon plazmasını incelemektedir. LHCb, güzellik kuarkının yapısını ve yük parite bozunumunu inceleyen bir deneydir. TOTEM ve LHCf deneyleri parçacıkların ileri bölgedeki (protonların çarpıştığı bölgeye yakın olan bölgedeki) fiziği incelemektedirler.CMS deneyi, CERN'deki genel amaçlı deneylerden biridir. CMS'in ana tasarım amacı Standart Model Higgs bozonunu gözlemlemektir. CMS dedektörü büyük bir bobin olarak tasarlanmıştır. Bu devasa bobinin içinde 4 Tesla'ya kadar manyetik alan oluşturulabilir, ayrıca bobinin içinde her biri farklı şekilde, farklı yapıdaki parçacıkları gözlemlemeyi amaçlayan alt dedektörler konulmuştur. CMS'in yapısı silindir şeklindeki bir soğan gibi düşünülebilir, her bir katman farklı bir alt dedektördür.CMS'in alt dedektörleri genel olarak iz sürücü, elektromanyetik kalorimetre, hadron kalorimetresi, müon sistemi ve mıknatıstan oluşmuştur. İz sürücü, protonların çarpıştığı noktaya en yakın dedektördür, silikondan yapılmış olan dedektörün ana amacı, yüklü parçacıkların konumunu ve hareketini gözlemlemektir. Böylece parçacığın momentumu tayin edilebilir. İz sürücünün dışında elektromanyetik kalorimetre (ECAL) bulunmaktadır ve elektromanyetik etkileşimden oluşan olan foton ve elektronların enerjisini belirler. Elektromanyetik kalorimetrenin üstünde hadron kalorimetresi (HCAL) vardır ve hadron adı verilen kuark ve gluonlardan oluşmuş kompozit parçacıkların enerjisini ölçmek amacıyla tasarlanmıştır. Müon sistemi ise hadron kalorimetresinin üstünde bulunan mıknatısın dışındadır. Müon dedektörleri sayesinde, elektromanyetik ve hadronik kalorimetrede iz bırakmadan geçen müonların manyetik alan değişimi sayesinde momentum ve enerjilerinin belirlenmesi amacıyla tasarlanmıştır.Hadron kalorimetresi kendi içerisinde dört altdedektörden oluşmuştur Bunlar hadron merkez (HB), hadron kapak (HE), hadron ileri (HF) ve hadron dış (HO) olarak adlandırılır.Hadron merkez kalorimetresi, dedektörün orta kısmında bulunmaktadır, içi boş bir silindir görüntüsündedir. İçinde elektromanyetik kalorimetrenin merkez kısmını ve silikon iz sürücülerini barındırmaktadır. Örnekleme kalorimetresidir, her bir katmanında bir soğurucu ve sintilatör bulunmaktadır. Sintilatörden çıkan fotonları taşımak için dalga boyu kaydırıcı fiberler kullanılmaktadır. Çarpışma noktasına göre HB+ ve HB- olarak ikiye ayrılır. Foton algılayıcı olarak hibrit fotodiyotlar kullanılmaktadır.Hadron kapak kalorimetresi, hadron merkez kalorimetresinin - ve + kısımlarının sonunda birer kapak gibi tasarlanmıştır. Merkez kalorimetre gibi bir örnekleme kalorimetresidir, aynı şekilde sintilatörden çıkan fotonlar dalga boyu kaydırıcı fiber ile taşınır. Foton algılayıcı olarak hibrit fotodiyotlar kullanılmaktadır.Hadron dış kalorimetresi, mıknatıs ile müon sistemi arasına kurulmuştur. Hadron dış kalorimetresinin ana amacı hadronik serpintilerin, kuyruk adı verilen son kısmını saptamaktır. Bu bilgi yardımı ile geç oluşmuş olan hadronik serpintiler gözlemlenebilir. Hadron dış kalorimetresinde foton algılayıcı olarak hibrit fotodiyotlar kullanılmaktadır.İleri hadron kalorimetresi, CMS dedektörünün iki kısmında da bulunmaktadır. Bu sayede CMS kapalı bir dedektör yapısına bürünür, böylece kayıp enerjinin daha iyi ölçülmesine yardımcı olur. İleri hadron kalorimetresinde çelik soğurucular ve özel olarak seçilmiş kuvartz fiberler kulanılmaktadır. Kuvartz fiberlerden oluşan fotonlar, kısa ve uzun fiberler ile foton algılayıcı olarak kullanılan foto çoklayıcı tüplere (PMT) iletilir.Hadron kalorimetresinin alt dedektörleri olan merkez, kapak ve dış kalorimetreler foton algılayıcı olarak hibrit fotodiyotları kullanmaktadır(HPD). Hibrit foto diyotlar 1957 de icat edilmiştir. HPD nin optik penceresinin altında bir fotokatod vardır. HPD'nin altında silikon diyot bulunmaktadır. Silikon diyot ile fotokatod arasında 10 kV a kadar gerilim uygulanan vakum bölgesi bulunur.Hadron kalorimetresinde HPD'lerin seçilme nedenleri, konum hassasiyeti olması, radyasyona karşı dayanıklı olabilmeleri, geniş bir algılama aralığının olması ve manyetik alan içerisinde sabit bir şekilde çalışabilmeleridir. Bazen dedektör kanallarından foton gelmediği halde hibrit fotodiyotlar sinyal oluştururlar. Bu tarz sinyaller gürültü olarak adlandırılır ve üç kategoriye ayrılır: Termal salınım, iyon geribeslemesi ve elektriksel boşalma.Termal salınım, HPD'nin içindeki ısısal değişimden ötürü fotokatoddan elektronun kopması sonucunda oluşur. Kopan elektron vakum bölgesindeki yüksek voltaj ile hızlanır. Yaklaşık 10 KeV enerji ile gelen elektron, silikon diyoda çarparak enerjisini verir, silikon diyotta elektron boşlukları çiftleri oluşturur ve böylece sinyal oluşur. İyon geribeslemesi ise vakum sisteminin mükemmel olmamasından kaynaklı bir gürültü çeşididir. Vakum içerisinde gaz molekülleri bulunur, moleküllere çarpan elektronlar, molekülleri iyonize eder sonuçta daha yüksek bir sinyal ortaya çıkar. Elektriksel boşalma, manyetik alanın sapmasından ötürü oluşur, HPD'lerin duvarlarında biriken elektriksel yük boşalır ve eşik değerinden yüksek bir sinyal üretir. Bu gürültü çeşidi, genellikle HPD'de bulundan tüm kanallarda aynı anda görülür. Bu gürültü çeşitleri için kütüphane yapılmasındaki ana amaç, Monte Carlo'da oluşturulamaması ve fizik analizine etkisinin büyük olmasıdır.Bu çalışmada Hadron kalorimetresi içindeki HB ve HE nin içerisinde bulundan hibrit fotodiyotlar için, kütüphane yaratılmıştır. HPD gürültü kütüphanesi her HPD için gürültü bilgilerini tutan, kullanımı kolay bir pakettir. Aynı zamanda gürültü bilgilerini Monte Carlo veya proton-proton çarpışmasından oluşan veriler ile karıştırabilme özelliğine sahiptir. Bu kütüphane HPD gürültülerinin fizik analizlerine etkisini gözlemlemek veya HPD gürültülerini filtrelemek için kullanılabilir. Paketin eski versiyonu CMS yazılımın tezin yazıldığı dönemdeki son versiyonuna yükseltilmiştir. Yükseltmedeki en önemli değişiklik HPDlerin tutulduğu ROOT dosyasındaki isimlerin, HCAL elektronik haritasından okunup yatarılmasıdır.HPD gürültü kütüphanesi pakedi kütüphane üreticisi, kütüphane okuyucusu ve olay karıştırıcısını barındıran, ROOT temelli bir arayüzdür.Kütüphane üreticisi özel olarak oluşturulmuş HPD gürültü verilerinden veya HB/HE yerel verileri üzerinden bir analiz yaparak, her HPD için gürültü bilgilerini kaydeder. Program okuma kutusu (RBX) ve okuma modülü (RM) bilgilerini elektronik haritadan alır, okuma kutusu ismi“_RM_”okuma modülü numarası şekilde (örnek: HBP12_RM_1) farklı bir isimle kaydeder. Hadron merkez ve hadron kapak dedektörlerinin + ve - kısımlarının her birinde 18 adet okuma kutusu bulunur, her okuma kutusunun içinde 4 adet okuma modülü bulunur, böylece 288 adet isim oluşturulur, böylece her bir isim bir HPD'ye karşılık gelmektedir. Kullanıcı kaydedilecek gürültünün eşik değerini belirler ve gürültü kütüphanesi bu verileri femtoCoulomb biriminde kaydeder. Oluşturulan ROOT dosyasında her bir HPD için, yük bilgisi, iyon geribesleme ve elektriksel boşalma gürültü bilgileri bulunmaktadır.Kütüphane okuyucusu, oluşturulan kütüphanenin okunması için tasarlanmıştır, okuma işlemini yapar ve gürültülü olan kanalların bilgisini her bir 25ns'lik zaman dilimleri için oluşturur. Özel olarak alınan verilerde, zaman diliminin kayabilme olasılığına karşı, programın içinde zaman dilimi kaydırıcı da bulunmaktadır. Kullanıcının isteğine bağlı olarak iyon geribesleme simülasyonunu yapar.Olay karıştırıcısı ise oluşturulan HPD gürültü kütüphanesini, veri veya Monte Carlo ile RecHit seviyesinde karıştırmaktan sorumludur. Digitize ortamda femtoCoulomb olarak tutulan gürültü bilgileri, CMS programındaki kalibrasyon katsayıları kullanılarak RecHit seviyesine getirilmiştir. Böylece kullanıcı, HPD gürütüsünün nasıl karıştırılacağını fiziksel verilere etkisini gözlemleyebilmektedir. RecHit derlemesi yapıldığında, jet, kayıp enerji gibi yüksek seviye nesnelerin yeniden yapılandırılması yapılabilir.Sonuç olarak HPD gürültü kütüphane üreticisi ve okuyucusu yerel (sadece HCAL için) veya genel (CMS) verileri için CMS yazılımının son sürümüne başarı ile yükseltilmiştir. Veri veya Monte Carlo gürültü karıştırması RecHit seviyesinde yapılabilir. Kullanıcı olay karıştırıcısı yardımıyla HPD gürültüsünü herhangi bir sürece ekleyebilir, böylece kullanıcı nadir çarpışma olaylarında (Higgs bozonu araştırması gibi) HPD gürültüsünün etkisini gözlemleyebilir. Ayrıca bu çalışmada CMS yazılımının özel olarak tasarladığı simülasyon aracıyla 8 TeV kütle merkezi enerjide Monte Carlo verileri oluşturulmuştur. Oluşturulan Monte Carlo ile HPD gürültüsü karıştırılmıştır. Gürültü eklenmiş olaylar MET ve ak5CaloJet algoritmaları kullanılarak yeniden yapılandırılıp, HPD gürültü etkisi kayıp enine enerji için ve iki jet değişmez kütlesi için incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
The European Organization for Nuclear Research (CERN), is an international organization located in Geneva on the France?Switzerland border. Most of the activities at CERN are currently directed towards operating the new Large Hadron Collider (LHC), and the experiments for it. There are six experiments at the LHC. Two of them are high luminosity experiments namely A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS), Compact Muon Solenoid (CMS). The remaing ones are A Large Ion Collider Experiment (ALICE), Large Hadron Collider beauty Experiment (LHCb), Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation (TOTEM) and Large Hadron Collider forward Experiment (LHCf).CMS is a general-purpose detector which is designed to observe wide range of particles at proton or heavy ion collisions. CMS is built around a huge solenoid magnet. Like a an onion but in cylindrical shape, different layers of detectors measure different type of particles, and each detector use these data to build up a picture of what happened during the collision.There are four sub-detectors in CMS which are, Tracker, Electromagnetic Calorimeter (ECAL), Hadron Calorimeter (HCAL) and Muon System. The HCAL has four sub-detector as well, named as, Hadron Barrel (HB), Hadron endcap (HE), Hadron Outer (HO) and Hadron Forward (HF) detectors. HB, HE and HO use Hybrid Photo Diodes (HPDs) for photon detection, where as HF uses photo-multiplier tubes (PMT).The HPDs are found to generate signal even when there is no light coming from the detector channels \cite{anoHPD}. These signals are called as ?noise? and can be divided in three categories; thermal emission, ion feedback, and discharge.This thesis focuses on HPD noise library production for HB and HE HPDs within CMS Software (CMSSW). Based on collected noise data, it provides details on how to mix noise data from the library with Monte Carlo events or collision events.The HPD Noise Library package is a ROOT based framework and includes three different programs, library producer, library reader and a event mixer. The producer makes a simple analysis of the HPD noise data collected by special triggers and produces a ROOT file which is in the HPD noise data format. Reader is an interface code to the user. It is responsible from reading and returning collection of noisy HCAL channels with data for each 25ns time interval. Event mixer's main purpose is to mix the created library noise with Monte Carlo (or data). The user can observe and study the effect of HPD Noise to data with the event mixer.To show the importance of HPD Noise Library package a simple Missing Transverse Energy and Invariant Dijet mass analysis were made. Analysis' clearly shows the HPD Noise effect.As a result, based on local (HCAL only) and global (CMS) monitoring data HPD Noise Library Producer and Reader successfully upgraded to newest version of CMSSW. Noise mixing with data (or Monte Carlo) was made possible at the RecHit level. User can add HPD noise to any physics process with the provided tool. This enables users to study the effect of noise rare collision events.
Benzer Tezler
- Cms deneyindeki hb ve he kalorimetrelerindeki hfd'lerin gürültü analizleri ve ho904 test düzeneğindeki sifç'lerin self trigger analizi
Noise analysis of hpds in the hb and he calorimeters and self trigger analysis of sipms in the test setup at ho904 in the cms experiment
ZUHAL ŞEYMA DEMİROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Bölümü
PROF. DR. EDA EŞKUT
- A study on susy search strategies in the CMS, HPD noise spectrum and electron reconstruction efficiency
CMS dedektörü?nde susy araştırma stratejisi, HPD yük spektrumu ve elektronların tesbit edilme verimliliği üzerine bir çalışma
MEHMET DELİÖMEROĞLU
Doktora
İngilizce
2010
Fizik ve Fizik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN GÜLMEZ
- CMS deneyi hadronik kalorimetresindeki HPD'lerin gürültü analizleri
Noise analysis of HPD s in hadronic calorimeter of CMS experiment
SEDAT YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYSEL KAYIŞ TOPAKSU
- CMS deneyinin HO904 ve SX5 test düzeneklerindeki SİFÇ'lerin öz tetikleme analizi
Self trigger analysis of SiPMs in the test setups at HO904 and SX5 of the CMS experiment
ÖZGÜN KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE POLATÖZ
- CMOS-compatible graphene-silicon photodetectors
Başlık çevirisi yok
HAKAN SELVİ
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiThe University of ManchesterPROF. DR. DANIŞMAN YOK